Stem视角下的小学研究性学习的教学设计

　　摘要：人类进入21世纪后，整个世界的发展速度飞快发展，科学技术突飞猛进。许多发展中国家重视科学和技术的发展，并将其作为经济发展前进的推动力，积极着手开拓建设更多的知识密集型的经济，而STEM中的各类科目恰好是知识密集型经济所需的基本能力。许多发展中国家重视科学和技术的发展，作为经济发展前进的推动力，并积极着手开拓建设更多的知识密集型的经济，因此，X大力发展教育中的STEM课程，为以后的经济发展奠定基础。当今世界，X是第一大经济强国对世界的经济、文化、政治、军事产生巨大影响。历史表明，经济强国的背后离不开教育的支持，所以我们应该着力研究成功背后的因素，因此，X教育是各国研究的长期目标。STEM教育在X作为一门新兴的课程，越来越受到XX的重视。而对中国而言，虽然STEM是相对新鲜的词汇，但是也得到部分大学学者的认同，相信在不久的将来会得到更多的关注。本文着力研究STEM在X发展的现状及对中国教育的启示。

　　关键词：STEM教育；小学；教学设计

　　STEM是当下一个炙手可热的新名词，其实早在上世纪八十年代它就已经出现在西方对高等教育的改革浪潮中。1986年，由X国家科学委员会发布《本科的科学、数学和工程教育》（又称尼尔报告），被誉为是STEM教育的开端。随后X相继出台一系列政策和计划，使STEM的教育理念成为一种全国性的、有计划、有系统的执行网络。在XSTEM教育的影响下，欧美等其他发达国家也展开了STEM教育改革，STEM教育理念日臻完善。然而，STEM教育实践方面的不足，给各国带来了新的挑战。

　　众所周知，科技与教育不能分开发展，是相互连结相互依存的共同体，但是社会进步发展并不能单纯依靠教育本身。只有当生产力发展的需要引起社会需求的变化时，才会产生全民对教育要求的结果。当今社会需要科技、文化、教育等多方面的力量来提升国家在国际上的竞争实力。在课堂中所有的课程强调动手学习的活动，这些活动设计概念和技能的运用。在大部分课程中，教师经常用苏格拉底教学法来使学生积极参与到实践活动中来。产婆术经常用来重新恢复原有的知识和经验。学习活动也注重解决实际问题。在学校培养阶段，笔者认为可以结合刚刚课改不久的通用技术课程，使STEM教育与之相结合。STEM教育的提出，使理工科教育者能够衔接科学、工程、技术、数学四大学科的知识，并结合劳技课程、信息技术课程、以及新兴的通用技术课程一起完成全方位的人才培养，对于我国劳动力综合技能素质的提高及产业的转型起到了积极的促进作用，同时也将快速完成从劳动密集型到技能密集型的转变。而目前在学校中，许多专家学者提出T-bear理论。将技术和工程教育有机地结合起来，达到使学生全方位发展的效果。

　　2.1.1国外STEM教学的研究现状

　　当今时代，科学技术的发展几乎决定着一个国家的竞争力。以X为例，X是一个经济大国，科学技术居世界之首，它在教育方面相当重视STEM科目人才的培养STEM教育指获得科学，科技，工程，和数学知识以及运用知识去解决问题，运用综合知识和能力来应对我们这个时期的挑战。据X劳动统计局估计，自2000年接下来十多年X在科技和工程方面的工作岗位要比其它所有行业的增长快三倍。STEM相关工作岗位要增加两百二十万个，约占所有工作岗位的47%，而将近有86%跟STEM相关的工作跟电脑相关。X国家科学委员会2010年统计：在科学和工程两个领域的劳动力的增长是所有工作劳动力的两倍，而26%的科学和工程领域的工作人员已接近退休年龄，X需要培养大量的高层次的STEM方面的人才作为国家发展创新的接班人。然而X的STEM教育却存在着一个基本的问题：数学和科学被认为是最难的科目，中学阶段的学生对STEM科目明显缺乏兴趣，据国际学生评价项目比较得出：X12年级的学生STEM成绩在国际数学和科学考试中成绩排名垫底，由于高层次STEM科目学生人数的减少直接导致了高层次人才的短缺，而这些人才正是国家最需要的。全美企业高等教育论坛说到：在数学和科学方面的竞争力对个人而言是非常必要的。奥巴马执政之后，对教育进行了一系列改革，尤其是开始重视K-12年级的STEM教育，而且教育改革的方向和力度也从政策制定更多地走向如何开展教育实践和教师发展等核心问题上。2012年，由X国家研究委员会发布《K-12年级科学教育框架》，相继阐述了针对科学与工程实践、学科核心概念和跨领域概念三个维度中K-12年级学生的学习内容和学习进程。2013年，X新一代科学标准(NexlGenerationScienceStan-dards，NGSS，以下简称《标准》)出台，再次表明了将工程教育、技术教育与K-12的科学教育相结合的国家教育战略。2014年，由X国家丁程院和国家研究委员会发布《STEM与K-12教育的整合》，依据实证研究，指出综合的教育模式是K-12教育中开展STEM教育的有效方式，STEM教育改革已经加大了课堂实践的力度。

　　在西方国家STEM教育改革的影响下，我国也在进行科学教育的新课程改革，鼓励中小学阶段进行综合教育，但是中学课程的综合化仅在部分地区得以实践。和国外相比，国内对STEM教育的研究多集中于内涵介绍、原因解析、现状分析、解读报告等。教师可学习和利用的资源比较少，这给综合化的教育实践带来困难。随着信息技术给教育带来的变革，微课、慕课、翻转课堂、创客教育、STEM、STEAM等新概念冲击着中小学的课堂。该如何正确解读这些新理念，使之提升课堂的有效性已经成为全社会关注的话题。

　　2.1.2国内STEM教学的研究现状

　　随着理论与实践的发展，STEM教育及其课程特点日渐明晰。STEM教育的课程设置不是将原本分散的科学、技术、工程、数学四门课程简单地集合在一起，而是具有丰富的脑科学、认知科学和教育科学研究基础，强调四个领域之间的关联及有目的、有方法、有系统的融合，这与学科教育以单一学科内容为主形成了鲜明的不同。

　　科学是建立在对客观世界事物的本质和运动规律进行实践检验和严密逻辑论证的实践基础上的，技术是人类为实现社会需要而创造和发展起来的手段、方法和技能的总和。数学侧重研究实现现实世界空间形式和数量的关系，是学习和研究现代科学技术必不可少的基本工具。工程是应用科学和数学产出产品的过程。要把这四个领域综合在一起虽有难度，但在培养学生综合能力、创新能力和提升21世纪技能的目标引领下，其重要性和必要性不言而喻。

　　STEM课程通过科学与工程问题创造出一个多维的课程空间，为学生提供一系列具有一定程度关联性的学习经历，因此，它与学科教育相比在综合性、实践性、开放性和动态性方面都不相同。

　　STEM教育综合了科学、技术、工程与数学的特点，承载着跨学科、跨领域的观点。跨学科、跨领域的关键在于能在这些不同的学科和领域之间建立关联，包括学科特有的以及学科间通用的概念、方法与技能。因此，STEM教育必须将知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程进行有机统一，以系统的、联系的思维面对知识经济时代全球化、多元化的文化发展，这就是STEM教育的综合与集成，也是单一的学科教育不能达成的。

　　培养学生综合解决问题能力是STEM教育的最重要的目标，无论是科学问题、工程与技术问题，还是如何运用数学的问题。在STEM教育的课程中，这些问题都被一个或一组具体的、与学生日常生活相关的情境或问题连贯起来，呈现在学生面前，再通过学生的科学和工程实践，发现解决问题的方法、实践解决问题的途径、分析解决问题的结果、评价解决问题的方案。学生在“动手做”和“动脑思考”中才能实现STEM素养的培养，实践是其主要的学习途径。

　　STEM教育认为知识是不断更新的，是动态与发展的。由于STEM教育系统的开放性和各要素之间的动态关系，导致课程内容和实施方面较传统学科教育呈现出明显的开放性和动态性。STEM教学场所不再局限于课堂和学校，这种转变与尝试，使学生有了更多接触STEM职业场所的机会，并获得将科学探究转化为实践以及进行科学创新的机会，从而彰显了STEM课程实施方式的开放性与动态性。

　　STEM教育的提出，意味着它一定不同于分立的学科教育，而应是通过某种方式将科学、技术、工程和数学联系在一起。综合课程是STEM教育的关键，也是教学最困难之处。“集成”强调四个领域之间的关联及有目的、有方法、有系统的融合，更强调基于问题、基于设计和基于项目的多样性学习。通过“集成式”的STEM教育，培养学生知识和技能的融会贯通，使学生学习每个领域的知识和技能时，也学习如何将这些知识和技能融会贯通到其他领域中，或者将一个领域的方法和技能用于解决另一个领域的问题，从而实现跨学科、跨领域人才的培养。

　　因此，教育实践时首先要考虑的就是如何实现“集成”与“融合”，如何在孤立的学科中建立一个桥梁，为学生提供整体认识世界的机会，使学生学习的零碎知识变成一个相互联系、相互统一的整体，形成一种跨学科的学习方法。STEM课程的设置经常使用基于问题、基于设计和基于项目的学习。学生学习特定的科学知识，运用数学和技术，在真实情境中完成一个工程任务，将知识付诸于实践。在完成任务的过程中，强调对学生设计能力和解决问题能力的综合培养，以及学科知识的运用与迁移。

　　例如，一个小学三年级关于灾害天气的科学知识与工程设计相结合的教学内容中，教师首先给出一个设计挑战：设计和创造一个建筑物，让它承受一种给定形式的灾害天气（雷暴、飓风或龙卷风），要求利用能循环使用的材料，建筑物宽度小于40cm，高度小于30cm，有底座、侧面和顶。可以想象，学生面对这样一项任务时要么不知所措，要么极度兴奋。但对于三年级学生来说，他们很难在一开始就有明确的思路和想法，课程接下来的定义问题和背景知识学习就成为学生完成这项任务的必做功课。学生们在实验探究的过程中学习特定的科学知识，并尝试将这些知识运用于将要完成的任务之中。在学习背景知识的过程中逐步对任务产生合理的思路，形成设计方案，再不断测试、改进和优化。在课程结束之前，学生已经对这项任务谙熟于心，对自己的设计方案和作品津津乐道，而其背后所隐藏的是学生知识学习的深度与质量，以及学生综合技能的提升与发展。

　　无论是在教学还是学习中，STEM教育都强调以学生为中心。由教师指导，学生自己设计工程流程，采取多样性的方法解决问题，学生和教师共同开发评估标准。这些课程环节都给学生提供了主动学习的空间，增加了学生学习的持续性。从真实情境中学习，来自实际生产生活的问题使得学生的学习路径是开放的，其探索结果也是开放的，从而刺激学生学习的兴趣和创造思维，有助于创新型人才的培养。

　　结果的开放性使评判结果的标准来源于实践，来源于问题解决的程度。如把学生所设计的工程模型或者建筑物是否能通过预设标准的检测、太阳能小车是否能达到规定的距离等作为评估标准。学生可以采用多样性的方法和设计去达到目标，最重要的是学生需要呈现设计与探究过程中的提案、细节、问题以及解决方案。因此，教师关注的是学生解决问题中所遇到的困难，以及他们是如何解决的，解决的方法和程度如何；学生关注的问题是如何完成任务挑战而非一个正确的答案。关注学生的主动性和开放性，能够促进学生批判性思维和创造性思维的发展，能够促进学生对所学知识与生活实践关联的理解。

　　虽然这两点的重要性不言而喻，但这两点也是传统的学科教育向STEM综合课程转变过程中教师教学最难克服之处。团队合作是STEM教育所要培养的必不可少的素养之一。团队合作可以集合更多人的智慧和创造力，提高工程流程的效率，从而展现出一个动态的、活跃的课堂气氛。工程实践的每一个环节都离不开团队合作，学生需要共同交流讨论出问题、方案细节和评估标准，合作完成工程流程设计、实验操作、数据检验、模型构建和修复等环节。几乎所有的STEM案例都采用小组合作的方式展开教学，并且将合作渗透到课程的多个环节，完成任务、交流、研讨、调查多种方式也通过合作的形式进行。团队合作使课堂更加生动、有趣，促进了学生的参与、交流和共享，也促进了课程的动态生成。

　　团队合作不仅是课堂内学生与学生之间的合作，还包括学生与企业、工厂、实验室之间的交流，还包括课程开发人员、教师、工程师、科学家之间的亲密合作。只有这样．才能将学习内容与生活实践、生产实践联系起来，才能让学生学会如何将学到的知识运用于解决实际的生活问题。

　　做到上述四条并非易事，具有丰富经验的一线老师们深知其在教学中的难度。但从理念走向实践，这是STEM教育的必经之路，任何一种浮在表面上的形式或活动的堆砌，都不能真正说明和体现STEM教育的价值和精髓。只有踏踏实实地去克服传统学科教育的固有思想和做法，在教学中勇于实践和思考，勇于创新和开拓，才能走出一条切实可行的路径，让STEM教育的理念落实到教育过程的方方面面。

　　该教学内容要求学生用积木制作橡皮筋小车，让学生经历科学研究与调查的过程。教师辅助制定与数学相结合的教学活动，以提交论文或测试等考查形式了解学生对小车的设计、花费以及对效能的掌握情况。在这个过程中，学生要学习力对小车的作用，亲自体验测量，使用天平标尺以及秒表等。将科学知识融合到实践当中，这也是目前学生应用数学技能的一个理想手段。通过工程设计教学，能够为小学生提供一个联系生活、同伴合作的平台，让他们在面对实际问题的时候运用已有的数学和科学知识，合作解决问题。

　　不同课程的整合，是STEM教育的初衷，也是基本形式。在中小学阶段，工程、科学、技术与数学的融合既能拓展学生的知识面，还能够培养学生解决问题的能力。这也需要数学教师了解相关科学知识并不断从生活中挖掘实际问题，通过合理设计让问题符合学生已有知识水平和认知能力。

　　学校管理者及教师是实施STEM教育的主体。教师可以尝试将不同学科知识融合到STEM教育中，并在教学过程中发现学生的知识水平，反思自己的教学效果，从而不断修改和完善自己的教学过程。学校管理者则应该为教师提供理念和建议，在教师设计和实施过程中提供帮助，让教师有更多的机会了解工程问题和其他学科的理念和教学方式，促进教师间的合作与交流。此外，还有一个重要的教学资源就是大学或科研机构的教师，他们从理论出发对STEM教育有着更新更丰富的研究和理解。

　　成长型思维即指所有的事情都离不开个人努力，世界上充满了能够帮助你学习和成长的有趣的挑战。STEM教育正是为学生提供了一个强调努力之重要性的途径，不断试验、不断解决问题的过程即是培养学生成长型思维模式的一种有效方式。这种思维模式不强调智商的重要性，而是强调不断努力和挑战的重要性，它能帮助学生在面对有挑战性的任务时尝试不同的策略，有勇气和耐力不断坚持直至解决问题。所以，教师在教学过程中要不断鼓励学生自己进行尝试，同时给予知识上的帮助，从而培养学生解决问题的兴趣和成长型的思维模式

　　学生以小组为单位，根据本小组提前设计好的模型完成一辆小车的制作。学生需要初步设想解决问题所涉及的几个量，如小车行进的距离、橡皮筋数量、道路表面的摩擦力（地毯、瓷砖、水泥地）以及小车的质量。随后，他们选择合适的工具来测量小车的质量、行进距离、时间。小组交流阶段，学生对用米尺还是卷尺测量距离、用标准单位还是公制单位来计量，以及哪一种记录方法更精确等问题展开了热烈讨论。学生完成多次试验后，教师提供了速度的计算公式（v=s/t），让学生自己测量并计算，从而得出小车每次的行进速度。

　　尽管问题对四年级学生来说很有挑战性，但活动与实际生活密切相关，学生十分感兴趣。通过实际操作和动手实验、分析数据并寻找规律，学生经过讨论最终得到结果。

　　例如，如果学生在实验中发现小车在瓷砖上的行进速度大于在水泥地上的行进速度，那么他们可能会得出这样的结论，即小车在瓷砖上行进时的摩擦力比较小。

　　这种形式的内容整合与教学方法，让学生有机会内化以前学过的知识，并将其提取出来用于解决现实问题，帮助其形成科学化的问题解决方式和思维方式。

　　在上述实验活动的基础上，教师可进一步提出下面的任务：请你设计一辆行进距离小于等于400cm的小车。这一任务的要求与之前做小车的目的不同，学生需要基于思考和讨论，重新设计、画图、制作，再进行测试和反复修改，才能完成合乎要求的小车。

　　在教学过程中，教师不仅希望学生能够解决当前问题，还意图充分利用问题的条件和假设对题目进行改编，让学生更深入地理解每个变量的意义，以及问题之间的关系。这种类型的综合训练，有助于学生巩固数学和科学知识，学会合理解决实际问题。

　　在高考导向的时代，学生学习过程中付出的每一项时间和经济成本都会被加以衡量。在如此形势下，如何说服学生家长重视非高考领域的STEM学习？在X，STEM领域的职数增长速度是其余工种的3倍。STEM相关行业的薪水通常比其他行业高出26%。但即便如此，X也未曾强制所有学生都参加STEM学习。比起一味的强制性推广，不如创立更多的条件与更弹性的机制，帮助学生从小明确兴趣导向，加以引导，提供资源，让有兴趣的人做有兴趣的事。X的STEM教育很大程度上得益于其社会组织网络。单凭XX机构或者个别社会组织，STEM教育难以快速发展。X越来越多的STEM学校正在加强和XX、企业界、高等教育机构的合作，以便为学生创设高科技、合作性的学习环境。同样，中国的STEM教育亦离不开各类资源的整合，除去学校及教育部门的推动与参与，高校、学会、协会、科技场馆等社会资源的补充，一方面促进教育专业性的提升，除此之外更能让学生明确今后职业发展方向。

　　随着STEM教育的日益普及,STEM+,STEAM，创客教育等新兴词汇也逐渐出现。在如今国家大力鼓励创新创业的大时代背景下，科学技术教育显得尤为重要。然而，如何结合我国实际情况，在一定的政策支持基础上，实现各方资源的整合，推动教育思维方式的转变，拓展出具有中国特色的科学、技术、工程和数学教育仍值得深思。STEM教育缺乏顶层推动STEM是科学、技术、工程、数学四个首字母单词的缩写，是X为了促进国家竞争力而推行的一项教育计划。提倡“为了创新而教育”，强调运用21世纪技能来教育X人并培养出世界一流的劳动力，影响国家未来的创新能力和竞争力。STEM教育理念传入中国并逐步被大力提倡。但，各地的实施，大多仍停留在理念的表面。为何要在中国推行STEM教育——为国民科学与技术素养的提升？为促进我国科学技术领域拔尖人才生长，亦为填补我国基础教育中学科融合理念及科研方法培养的缺失？至今未有定论。无疑，STEM教育对于我国产业的转型，劳动力水平的提升，都将会产生积极的促进作用。然而，如何将具有中国特色的科学、技术、工程、数学领域人才的培养提升至国家高度，让教育管理者、教师、学生、家长、社会各界真正明确STEM学习的目的并去推动，值得我们思考。

　　目前,X正面临着高质量数学和科学教师严重短缺的挑战。数据显示,2005至2015年，X中学作为核心课程的数学和科学的教师缺口累计将达到30万名。技术和工程紧缺更是严重。因此，奥巴马提出，在2020年前X需要再培养出10万名从事STEM教育的教师。而中国STEM教师的匮乏比之X有过之而无不及。STEM教育与传统的知识点驱动的教学不同，很大程度上是基于项目或者问题的学习。中国的教育传统是——传道授业解惑。然而，在STEM课堂中教师需要引导学生进行科学实践或科学探究，这无疑对中国传统课堂模式带来了挑战与颠覆。如何扭转教师的定式教学思维，让老师与学生共同探索学习目前尚需要探讨。除此之外，传统教育中非考试科目和内容的边缘化，让STEM老师在学校无法受到应有的重视，很多学校科技辅导员都由其他学科教师兼职，导致他们既没有足够的时间与精力提升专业水准，也根本没有能力审视跨学科融合，并对每个学生加以引导。

　　早在1989年，钱钟书先生就21世纪的人才培养提出了“大成教育”的设想，也就是18岁的大成硕士的设想。一个理工科人才在其人生对文学、艺术也有一定的体悟并且在最富创造力的18岁年龄时达到硕士的实践能力，他定会不怕失败，满腹激情。这个设想其实不是不可以实现，需要一代人的不懈努力并且跟上时代步伐进行课程改革。因此，对于中国来说，STEM课程开发还有待进一步挖掘，并结合中国教育国情来适当借鉴引用。

　　一个国家的经济发展基础并不只是金融等所谓的虚拟经济、服务经济，制造业尤其是高端制造业是社会健康经济真正的坚实基础之一。这里的高端包括两个层面的含义，一是产品质量上的高水平，一是科技含量上的尖端性。要求公民的科技素养。我国正处在社会发展转型期，社会建设者的创新能力、实践能力发展是亟待全社会着力解决的问题，教育行业必须直面严峻的发展挑战。

　　人类对世界的认识从古代的朦胧一体，逐渐分化为分科的学问，经由分科深化了对自然的认识。然而从上个世纪50年代以来，学者们发现自然的规律并不是封闭系统决定论的可逆过程，而是开放系统于开放的环境中，在混沌的边缘，经由主体自组织发展的不可逆过程。分科的学问渐渐走向融合，整体性的视野和思维，成为我们认识世界顺应规律发展的重要思想方式。

　　社会发展转型期的中国，社会建设者的创新能力、实践能力发展是亟待全社会着力解决的问题。本文扼要概述了STEM教育的发展脉络与内容框架，回顾我国已有的实践，展望现实中宏观与微观层面可能的突破策略，以期促进同行的进一步思考和实践。STEAM的课堂常常是基于真实问题解决的探究学习(PBL，Problem-BasedLearning)、基于设计的学习(DBL，Design-BasedLeraning)，它强调学生在看似杂乱无章的学习情境中发展设计能力与问题解决能力，因为真实的问题是劣构、错构的问题。STEM课堂上教师围绕一个真实问题，促进学生参与到一个班级范围内的小组中去开展研究，期间有可能通过面对面的方式、网络的方式与校外学习支持者、学习伙伴开展交流。在学习与研究的过程中，学生被要求使用技术搜集、分析数据，并设计、测试和改进一个解决方案，然后与其同伴交流研究成果。这类学习方式，学生需要花费更多的课外时间。

　　在国家层面，建议重新开展对技术类课程的深度研究，以期推出符合社会发展要求的中小学技术类课程标准、技术类课程教师职前培养方案、技术类课程教室装备标准、技术类课程师资配备的人事编制方案等方面的工作，并建议国家通过立法制定规则，以激发社会各界参与到课程建设的活动中去的内在动力。同时，建议对数学、科学类、艺术类等核心课程的课程标准相关修订开展预研究。建议各类科研机构、社会机构与企业组织，通过各种方式支持相关领域的分项研究，通过各个侧面的努力丰富完善整个STEM、STEAM教育实施系统所需要的认识与探索。

　　在学校层面，STEM、STEAM课程的实施，可以围绕着学校办学特色建设、特色综合实践板块（国家课程方案）校本课程建设、特色拓展探究板块（上海课程方案）校本课程建设来开展。尝试将它们与数学、科学类和艺术类核心课程对接融合。

　　在教师层面，可以根据自己原有任教学科与STEM、STEAM可能的交集，寻求可能的突破方向，依托特色综合实践板块校本课程、特色拓展探究板块校本课程建设，实施相关的自我研发科目，更建议老师们根据兴趣相投的原则，组合成团队，共同研发实施相应的STEM、STEAM校本课程科目。我们建议老师们借助STEM、STEAM校本课程科目的研发实施，更新自己的相关知识、发展相

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